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Lexikon der Geowissenschaften: Diffusion

Diffusion, 1) Allgemein: bezeichnet die Durchmischung von verschiedenen miteinander in Berührung stehenden Stoffen. Die Vermischung erfolgt durch Relativbewegungen der Ionen, Atome, Moleküle oder Kolloidteilchen und wird durch Konzentrations-, Temperatur- oder Druckunterschiede verursacht. Es handelt sich um einen physikalischen Ausgleichsprozeß, der infolge Brownscher Molekularbewegung einen Ausgleich von Konzentrationsunterschieden bewirkt. Diffusion erfolgt sowohl in gasförmigen, flüssigen als auch festen Stoffen. Sie wird beschrieben durch den Diffusionskoeffizienten (Ficksche Gesetze). 2) Glaziologie: Im Zuge der Schneemetamorphose erfolgender Wasserdampftransport von Bereichen höherer zu niedrigerer Temperatur, in der Regel vom Boden zur Schneeoberfläche hin. 3) Hydrologie: Durchmischung von gelösten und ungelösten (Schwebstoffe) Stoffeinträgen in Fließgewässern durch Turbulenzen im Wasserkörper und durch Inhomogenitäten im Fließquerschnitt. Ficksche Gesetze. 4) Klimatologie: irreversibler Vermischungsvorgang in der Atmosphäre. Die molekulare Diffusion, hervorgerufen durch die Wärmebewegung der einzelnen Moleküle, kann üblicherweise gegenüber der turbulenten Diffusion vernachlässigt werden. Ursache für die turbulente Vermischung sind Schwankungsbewegungen der mittleren Strömung zusammen mit Unterschieden in der Verteilung einer transportierten Eigenschaft wie Impuls, Wärme, Feuchte oder einer Luftbeimengung. Die Stärke der Vermischung in vertikaler Richtung bei Vorhandensein eines vertikalen Gefälles einer Eigenschaft s läßt sich nach



bestimmen, wobei S den turbulenten Fluß in vertikaler Richtung und K den turbulenten Diffusionskoeffizienten bezeichnen. Das Minuszeichen gibt an, daß der turbulente Austausch entgegen dem mittleren Gradienten von s gerichtet ist und damit versucht wird, Gegensätze in der Atmosphäre auszugleichen. In Abhängigkeit von der thermischen Schichtung der Atmosphäre erreicht K eine Größenordnung in der bodennahen Schicht von etwa 1-10 m2/s und ist damit etwa 105 mal größer als der molekulare Diffusionskoeffizient für Luft. 5) Kristallographie/Festkörperphysik: ein Stofftransport aus der Mutterphase zum wachsenden Kristall, der sich aufgrund von Konzentrationsunterschieden ergibt. Entscheidend für die Wachstumsgeschwindigkeit und damit für Entwicklung von Tracht und Habitus eines Minerals, ist er bei der Kristallzüchtung ein wesentlicher Bestandteil. In einer Lösung ohne Konvektion oder bei der Gelzüchtung ist er der alleinige Transportmechanismus für die Kristallbausteine. Aufgrund der Haftung einer Flüssigkeit an der Wachstumsfront bildet sich vor dem Kristall eine dünne Schicht aus, in der alleine Diffusion für den Transport in Mehrkomponentensystemen sorgt. Die Diffusion in dieser Schicht ist auch der Grund für die Größe des effektiven Verteilungskoeffizienten (Gleichgewichtsverteilungskoeffizient), da sie die Konzentrationsverteilung in der Randschicht bestimmt.

In der Festkörperphysik wird darunter der Transport von Materie (Atome, Moleküle) durch Platzwechselvorgänge verstanden. Existiert ein Unterschied im chemischen Potential, z.B. durch Konzentrationsunterschiede, für eine oder mehrere Atomarten innerhalb eines Kristalls, dann versucht die Natur diesen auszugleichen. Festkrper sind sehr dicht gepackt, daher können Atome sich nicht einfach in Richtung ihres niedrigsten chemischen Potentials bewegen. Da jedoch selbst im thermodynamischen Gleichgewicht eine gewisse Anzahl von Leerstellen in jedem Kristall existieren, knnen einzelne Atome ihre Position mit der einer benachbarten Leerstelle tauschen, falls die dazu notwendige Aktivierungsenergie, die sich aus der kurzzeitigen Verschiebung der Nachbaratome ergibt, zur Verfgung steht. Dies erfolgt natrlich bevorzugt in diejenige Richtung, in die das Atom sein chemisches Potential erniedrigen kann. Atome knnen in einem Kristall mit sehr dichter Packung in der Regel nur ber Leerstellen diffundieren. In weniger dicht gepackten Kristallstrukturen können auch andere Mechanismen, z.B. ber Zwischengitterpltze (Zwischengitteratom), eine Rolle spielen. Die Diffusionsrate hngt entscheidend sowohl von der Beweglichkeit der Leerstellen als auch von deren Konzentration ab. Beide Gren sind temperaturabhngig. Daher finden Diffusionsvorgnge nur bei erhhten Temperaturen statt, deren absoluter Wert jedoch materialabhngig ist. Diese Festkörper-Diffusion ist von grundlegender Bedeutung für alle chemischen Reaktionen und texturellen Umbildungen von Erzmineralen (z.B. Verdrängung). 6) Ozeanographie: Transport von Wärme oder gelösten Substanzen durch Molekularbewegung, abhängig vom Konzentrationsgradienten und dem Diffusionskoeffizienten. Der molekulare Diffusionskoeffizient für Wärme im Meerwasser liegt bei 10-7 m2/s und für Salz bei 10-9 m2/s. Die unterschiedliche Diffusivität von Wärme und Salz kann zur Doppeldiffusion und zur Ausbildung von Salzfingern führen. Häufig wird turbulenter Austausch als turbulente Diffusion bezeichnet. Die turbulenten Diffusionskoeffizienten sind mehrere Größenordnungen größer als die molekularen.

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